楊博然， 陳志光， 秦朝葵

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院燃?xì)夤こ萄芯克虾?01804)

1 概述

目前中國(guó)沼氣產(chǎn)業(yè)處于高峰發(fā)展期，隨著沼氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，沼氣熱工制度有許多地方需要完善。尤其是進(jìn)料加熱造成的熱損占比很高[1-4]，且配套的加熱措施供熱量不足甚至沒(méi)有加熱措施，導(dǎo)致發(fā)酵溫度下降，產(chǎn)氣率低，同時(shí)，多數(shù)沼氣工程未對(duì)出料余熱加以回收，造成能源浪費(fèi)。為保證沼氣的高效生產(chǎn)，大量國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)發(fā)酵罐的加熱系統(tǒng)進(jìn)行了研究，裴曉梅等人[5]為解決地源熱泵式沼氣池加溫系統(tǒng)需要打地埋井及敷設(shè)地埋管受地質(zhì)水質(zhì)局限等問(wèn)題，構(gòu)建了太陽(yáng)能—沼液余熱式熱泵高溫厭氧發(fā)酵加溫系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠保證發(fā)酵池溫度(50±2)℃，沼液余熱回收量可達(dá)系統(tǒng)總需熱量的70%；張帥兵等人[6]針對(duì)天津市某養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程設(shè)計(jì)了1套沼氣發(fā)酵罐排料余熱回收裝置，在冬季節(jié)能率仍能達(dá)到30%以上，有效減少了排料的熱量損失；花鏡等人[7]研究了高溫發(fā)酵的容積產(chǎn)氣率和余熱回收對(duì)沼氣工程凈產(chǎn)氣率的影響，在沼氣工程中增加余熱回收，可將沼氣凈產(chǎn)氣率從82%提高至90%；王曉超[8]、遲銘書(shū)[9]、苑建偉[10]、王飛[11]分別針對(duì)太陽(yáng)能熱管加熱系統(tǒng)、太陽(yáng)能—沼氣鍋爐聯(lián)合加熱系統(tǒng)以及農(nóng)村生態(tài)校園沼氣系統(tǒng)雙效增溫技術(shù)等進(jìn)行了研究；Rainier等人[12]根據(jù)氣候條件(環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻射、降雨強(qiáng)度等)，建立了用于預(yù)測(cè)半埋式厭氧消化器中的溫度變化的瞬態(tài)熱模型；Yiannopoulos等人[13]采用太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)對(duì)城市污水的沼氣發(fā)酵進(jìn)行加熱，研究結(jié)果表明即使在緯度高于50°的區(qū)域，使用太陽(yáng)能亦可保證一年中大部分時(shí)間的操作溫度。

以上的研究主要針對(duì)瞬態(tài)條件下利用外界輸入能源加熱沼氣罐圍護(hù)結(jié)構(gòu)方面，而對(duì)出料余熱回收提高進(jìn)料溫度及其全年運(yùn)行工況分析的研究卻很少。通過(guò)利用出料余熱回收技術(shù)維持沼氣溫度，既能提高能源利用率，又能增加沼氣產(chǎn)氣率，促進(jìn)沼氣產(chǎn)業(yè)化。因此合理設(shè)計(jì)余熱回收系統(tǒng)并使之能夠連續(xù)穩(wěn)定工作，對(duì)于維持沼液池溫度穩(wěn)定具有十分重要的意義。為此，以哈爾濱等地區(qū)為例對(duì)沼氣工程中溫發(fā)酵系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一套余熱回收裝置，并利用Dymola軟件建立熱泵模型進(jìn)行性能分析。利用該模型模擬熱泵系統(tǒng)回收余熱的動(dòng)態(tài)過(guò)程并計(jì)算可回收的余熱量。最后確定污水源熱泵能夠提供的熱量與是否需要輔助熱源以及何時(shí)開(kāi)啟輔助熱源，同時(shí)對(duì)污水源熱泵在全年的工作狀況進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)。

2 余熱回收裝置設(shè)計(jì)

① 大中型沼氣系統(tǒng)耗熱分析

本文以一個(gè)沼氣罐容積為1 000 m3的沼氣工程為研究對(duì)象，工藝流程見(jiàn)圖1。用于發(fā)酵的原材料首先進(jìn)入預(yù)處理間(部分沼氣工程的預(yù)處理工藝在室外進(jìn)行)進(jìn)行預(yù)處理。原材料應(yīng)與水相混合形成進(jìn)料，進(jìn)料中的含水量(體積分?jǐn)?shù))通常可達(dá)到90%以上。從預(yù)處理間出來(lái)的進(jìn)料直接送入沼氣罐中進(jìn)行發(fā)酵，沼氣罐中設(shè)有加熱盤(pán)管，用于保證中溫發(fā)酵或高溫發(fā)酵，同時(shí)設(shè)有攪拌器，攪拌沼液以使罐內(nèi)溫度均勻。加熱盤(pán)管中的熱水由供熱鍋爐、熱泵、發(fā)電余熱或其他形式通過(guò)熱水交換器提供，為沼氣罐提供熱量。沼氣經(jīng)脫硫脫水(脫水裝置未畫(huà)出)后用于發(fā)電或其他用途，出料進(jìn)入固液分離器，分離出沼渣和沼液，沼渣可制作固體化肥，沼液可制作液體化肥。

圖1 沼氣工程工藝流程

② 設(shè)計(jì)參數(shù)

由于沼氣罐90%以上的耗熱為進(jìn)料耗熱[14]，在進(jìn)料的同時(shí)會(huì)溢出等量的出料。因而，對(duì)出料余熱進(jìn)行回收不僅有較大的工程實(shí)踐意義，同時(shí)減少了加熱所帶來(lái)的能耗及環(huán)境污染。余熱回收方案有裝設(shè)發(fā)電機(jī)、交叉換熱等，回收裝置有換熱器、余熱鍋爐、熱管及熱泵。大中型沼氣工程中，中溫發(fā)酵的沼氣罐出料溫度為35 ℃，屬于低溫余熱，可采用換熱器或熱泵回收。

余熱回收系統(tǒng)的流程見(jiàn)圖2。系統(tǒng)中采用污水源熱泵機(jī)組間接換熱方式，先由水在沼液池中取熱，再通過(guò)熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器提取水中熱量。冷凝器側(cè)蓄熱水箱中的熱水分別用于加熱進(jìn)料和沼氣罐。污水源熱泵選用蒸氣壓縮式熱泵。余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 余熱回收系統(tǒng)的流程

沼氣罐容積/m31 000沼液池直徑/m2.2沼液池的容積/m38熱泵COP5沼液池?fù)Q熱盤(pán)管水質(zhì)量流量/(kg·s-1)3.1沼液池?fù)Q熱盤(pán)管水流速/(m·s-1)1沼液池?fù)Q熱盤(pán)管內(nèi)直徑/mm60蒸發(fā)器側(cè)吸熱量/kW65蒸發(fā)器類(lèi)型板式蒸發(fā)器傳熱系數(shù)/(W·m-2·K-1)1 300蒸發(fā)器平均換熱溫差/℃5蒸發(fā)器換熱面積/m210蒸發(fā)器板片數(shù)量/片100冷凝器類(lèi)型板式冷凝器水流速/(m·s-1)0.8冷凝器傳熱系數(shù)/(W·m-2·K-1)900冷凝器換熱面積/m218冷凝器板片數(shù)量/片180壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速/(r· min-1)2 900熱泵工質(zhì)質(zhì)量流量/(kg·s-1)0.36

續(xù)表1

③ 模擬初始條件

本文選用Dymola軟件對(duì)余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行模擬。整個(gè)系統(tǒng)模型由沼液池、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流閥、壓縮機(jī)組成。該系統(tǒng)的特殊之處在于在沼液池中增加了一個(gè)換熱盤(pán)管，從沼液中吸收熱量再向蒸發(fā)器放熱，這樣可避免了沼液對(duì)蒸發(fā)器的腐蝕，延長(zhǎng)了蒸發(fā)器使用壽命。

在Dymola軟件中通過(guò)建立上述模型，拖動(dòng)調(diào)用各部件并將各部件按順序依次連接構(gòu)成整個(gè)熱泵系統(tǒng)，余熱回收系統(tǒng)模型軟件截圖見(jiàn)圖3。同時(shí)，將各部件的設(shè)計(jì)參數(shù)輸入各部件。進(jìn)行模擬，即可得到余熱回收過(guò)程中各參數(shù)隨時(shí)間的變化。部件的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 部件的設(shè)計(jì)參數(shù)

3 余熱回收系統(tǒng)性能分析

① 沼氣工程總耗熱量計(jì)算方法

沼氣工程中針對(duì)沼氣罐的總耗熱計(jì)算主要分為罐體散熱的計(jì)算以及進(jìn)料加熱量的計(jì)算。對(duì)于進(jìn)料加熱量的計(jì)算，可做如下假設(shè)。

a.沼氣罐進(jìn)料主要為水，計(jì)算時(shí)其物性參數(shù)取水的熱物性參數(shù)。

b.沼氣罐內(nèi)壁面溫度取料液溫度，對(duì)中溫發(fā)酵取35 ℃。

c.忽略發(fā)酵料液產(chǎn)熱，同時(shí)認(rèn)為沼氣罐內(nèi)溫度分布因機(jī)械攪拌而比較均勻。

d.管道散熱損失忽略不計(jì)。

e.每天在0:00，4:00，8:00，12:00，16:00，20:00分6批等量進(jìn)料。

實(shí)際工程中對(duì)進(jìn)料采取一定保溫措施，使進(jìn)料溫度在凝固點(diǎn)以上，故進(jìn)料時(shí)刻的進(jìn)入進(jìn)料池的溫度取max(ta-2 ℃,0 ℃)，ta為環(huán)境溫度，以最大限度接近沼氣工程的實(shí)際情況。

罐體散熱量根據(jù)傳熱學(xué)公式，分別計(jì)算罐壁和罐頂?shù)膶?duì)流換熱量與罐底與土壤的導(dǎo)熱量。沼氣罐罐體材料參數(shù)見(jiàn)表3，具體計(jì)算式見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。

表3 沼氣罐罐體材料參數(shù)

② 污水源熱泵系統(tǒng)工作性能

在本研究中假設(shè)每4 h換料一次，每次出料7.5 t，因此沼液在沼液池中停留4 h后全部排出，每批出料余熱回收的時(shí)間為4 h。沼液池和進(jìn)料池均為埋地式，計(jì)算時(shí)忽略與環(huán)境的熱交換。哈爾濱地區(qū)，典型周期內(nèi)，4 h中熱泵系統(tǒng)各參數(shù)的變化見(jiàn)圖4～9。

圖4 熱泵制熱量及壓縮機(jī)功率

圖5 沼液池中沼液溫度

圖6 蒸發(fā)器側(cè)水的進(jìn)出口溫度

圖7 冷凝器側(cè)水的進(jìn)出口溫度

圖8 熱泵系統(tǒng)COP

圖9 熱泵系統(tǒng)過(guò)熱度

由圖4可以看出，利用設(shè)計(jì)的熱泵系統(tǒng)，在4 h內(nèi)，熱泵制熱量由70 kW逐漸降到47 kW，這是由于沼液池中沼液溫度不斷降低，蒸發(fā)器側(cè)吸熱量也隨之降低的緣故。同時(shí)也表明污水源熱泵系統(tǒng)提供的熱量占據(jù)所需熱量的大部分。壓縮機(jī)功率從23 kW降到17 kW，平均20 kW。

由圖5可以看出，沼液池中沼液溫度在4 h內(nèi)由35 ℃逐漸降低到17.7 ℃，隨時(shí)間積分計(jì)算，可知4 h內(nèi)從每批出料中回收的熱量為545.0 MJ，每日回收3 270 MJ。

由圖6、7可以看出，蒸發(fā)器側(cè)水的進(jìn)出口溫差未能達(dá)到設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致熱泵制熱量未能達(dá)到設(shè)計(jì)值。因此，冷凝器側(cè)出口水溫在開(kāi)始能達(dá)到45 ℃，之后逐漸下降到43.4 ℃。

由圖8、9可以看出，污水源熱泵系統(tǒng)的COP為2.7～3.0，過(guò)熱度在3 K左右，說(shuō)明熱泵系統(tǒng)工作穩(wěn)定，COP較高，可以連續(xù)不斷地正常工作，保證余熱回收過(guò)程的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

該污水源熱泵系統(tǒng)模型還可用于確定輔助熱源的開(kāi)啟時(shí)間。以哈爾濱4月27日為例，該日各時(shí)刻總耗熱量與熱泵制熱量對(duì)比見(jiàn)圖10?？梢钥闯?，在0:30—7:00，熱泵制熱量小于總耗熱量，需開(kāi)啟輔助熱源。

圖10 哈爾濱4月27日總耗熱量與熱泵制熱量對(duì)比

為觀察該熱泵系統(tǒng)在不同地區(qū)的適應(yīng)性，將哈爾濱、大連和濟(jì)南的各月平均總耗熱量繪制在一起，見(jiàn)圖11。

依據(jù)逐時(shí)氣象參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)罐體參數(shù)，用MATLAB軟件編寫(xiě)程序，即可算出罐體總耗熱量及進(jìn)料總耗熱量，對(duì)比圖4、圖11中的哈爾濱地區(qū)總耗熱量可以看出，在6—8月，熱泵系統(tǒng)始終能滿足沼氣罐所需熱量，且有部分剩余，此時(shí)可選擇壓縮機(jī)部分負(fù)荷運(yùn)行或者仍保持全負(fù)荷運(yùn)行。當(dāng)壓縮機(jī)全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，沼氣罐內(nèi)溫度將高于35 ℃，此時(shí)沼氣產(chǎn)量會(huì)略有升高。在4月、5月、9月、10月，污水源熱泵不能時(shí)刻滿足所需熱量，此時(shí)需要配備輔助熱源，并在一定的時(shí)間內(nèi)開(kāi)啟。在1月、2月、3月、11月、12月，輔助熱源需一直開(kāi)啟。

根據(jù)以上分析可以看出，本文設(shè)計(jì)的污水源熱泵用于哈爾濱時(shí)，在6—8月可完全滿足供熱需求，在4月、5月、9月、10月，輔助熱源需選擇性開(kāi)啟，其開(kāi)啟時(shí)間可通過(guò)對(duì)比當(dāng)天各時(shí)刻的總耗熱量與熱泵制熱量確定。在1月、2月、3月、11月、12月，輔助熱源需一直開(kāi)啟。

圖11 哈爾濱、大連、濟(jì)南各月平均總耗熱量

將該污水源熱泵應(yīng)用于大連時(shí)，由圖11可以看出，在5—9月份，該系統(tǒng)始終能滿足沼氣罐所需熱量，且有部分剩余，將使沼液溫度略有升高，提高沼氣產(chǎn)量。在4月、10月、11月，該系統(tǒng)不能時(shí)刻滿足所需熱量，需在一定時(shí)刻開(kāi)啟輔助熱源，其開(kāi)啟時(shí)間可通過(guò)對(duì)比當(dāng)天各時(shí)刻的總耗熱量與熱泵制熱量確定。在1月、2月、3月、12月，輔助熱源需一直開(kāi)啟。

將該污水源熱泵應(yīng)用于濟(jì)南時(shí)，在5—10月份，該系統(tǒng)始終能滿足所需熱量，且有部分剩余。尤其在6—8月，制熱量約為所需熱量的2倍，此時(shí)可使壓縮機(jī)部分負(fù)荷運(yùn)行。在2—4月及11月時(shí)，該系統(tǒng)不能時(shí)刻滿足所需熱量，需在一定時(shí)刻開(kāi)啟輔助熱源，其開(kāi)啟時(shí)間如前所述。在1月、12月，輔助熱源需一直開(kāi)啟。

③ 污水源熱泵系統(tǒng)余熱回收評(píng)價(jià)

為對(duì)污水源熱泵全年的工作情況進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)，針對(duì)哈爾濱地區(qū)，探究污水源熱泵制熱量及占總耗熱量的比例，并計(jì)算全年制熱量大于總耗熱量的時(shí)間。

不同月份熱泵制熱量占總耗熱量平均比例見(jiàn)表4。其中壓縮機(jī)功率為20 kW時(shí)，污水源熱泵采用原設(shè)計(jì)參數(shù)。壓縮機(jī)功率為33 kW時(shí)，蒸發(fā)器及冷凝器換熱面積、壓縮機(jī)氣缸容積、膨脹閥最大流通面積是原設(shè)計(jì)參數(shù)2倍。不同月份不同壓縮機(jī)功率的熱泵制熱量大于總耗熱量的時(shí)長(zhǎng)及時(shí)長(zhǎng)占比見(jiàn)表5。

表4 不同月份熱泵制熱量占總耗熱量平均比例

表5 不同月份不同壓縮機(jī)功率的熱泵制熱量大于總耗熱量的時(shí)長(zhǎng)及時(shí)長(zhǎng)占比

從表4可以看出，采用壓縮機(jī)功率為20 kW的熱泵，5—9月，熱泵制熱量遠(yuǎn)多于總耗熱量，沼液溫度會(huì)有所升高，沼氣產(chǎn)量略有升高。10月至轉(zhuǎn)年4月，熱泵制熱量占總耗熱量的75%左右，1月份熱泵制熱量占總耗熱量的72%，說(shuō)明即使在最冷的月份，熱泵制熱量也能提供大部分熱量。全年壓縮機(jī)功率分別為20 kW、33 kW時(shí)，熱泵制熱量占總耗熱量比例分別為105%、150%。

由表5可以看出，壓縮機(jī)功率為20 kW時(shí)，全年的制熱量大于總耗熱量的時(shí)長(zhǎng)占比僅為40%，這是由于冬季進(jìn)料耗熱較大，熱泵制熱量一直不能滿足所需熱量，此時(shí)應(yīng)使用輔助熱源補(bǔ)充供熱。由表5還可以看出，采用功率為33 kW的壓縮機(jī)，每月的制熱量總量均大于總耗熱量，而全年中制熱量大于總耗熱量的時(shí)長(zhǎng)占比卻只有73.7%。11月至轉(zhuǎn)年3月，熱泵制熱量大于總耗熱量的時(shí)長(zhǎng)占比在50%左右，而對(duì)比每月的制熱量與總耗熱量，發(fā)現(xiàn)二者大致相平。

為進(jìn)一步確認(rèn)此時(shí)的工作狀態(tài)，繪制了壓縮機(jī)功率為33 kW時(shí)，1月1日總耗熱量與制熱量的對(duì)比，見(jiàn)圖12。哈爾濱冬季環(huán)境溫度低于0 ℃，進(jìn)料溫度取0 ℃，因此進(jìn)料加熱量基本相同，而進(jìn)料加熱量占總耗熱量的大部分，罐體散熱變化不大，因此圖中總耗熱量保持平穩(wěn)，而熱泵制熱量每4 h重復(fù)一次。從圖中可以看出，熱泵制熱量與總耗熱量的總量基本一致，因此沼液溫度將在35 ℃上下波動(dòng)。因此，當(dāng)熱泵部件參數(shù)為原設(shè)計(jì)值2倍，壓縮機(jī)功率為33 kW時(shí)，可基本滿足中溫發(fā)酵。

圖12 壓縮機(jī)功率為33 kW時(shí)，1月1日總耗熱量與熱泵制熱量的對(duì)比

④ 小結(jié)

當(dāng)污水源熱泵采用前文的設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，壓縮機(jī)功率為20 kW，熱泵在最冷的1月能保證所需熱量的72%，然而此時(shí)小時(shí)不保證率較高，需設(shè)置輔助熱源。當(dāng)污水源熱泵部件參數(shù)采用原設(shè)計(jì)值兩倍時(shí)，壓縮機(jī)功率為33 kW，雖然在1月小時(shí)保證率僅為50%，但熱泵制熱量與總耗熱量總量基本一致，沼液將在35 ℃上下波動(dòng)，可基本滿足中溫發(fā)酵。但此時(shí)熱泵在夏季的供熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)所需熱量，且COP相比20 kW時(shí)有所降低。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)結(jié)合經(jīng)濟(jì)性分析對(duì)熱泵進(jìn)行選型。大中型沼氣工程中溫發(fā)酵容積產(chǎn)氣率按1.3 m3/(m3·d)計(jì)算，則1 000 m3的中溫厭氧發(fā)酵罐年產(chǎn)氣量為474 500 m3，年產(chǎn)能9 684 545 MJ(按體積分?jǐn)?shù)甲烷60%，二氧化碳40%，15 ℃計(jì)算溫度)。熱泵制熱量為33 kW時(shí)，耗能與產(chǎn)能之比僅為10.7%。沼氣價(jià)格為0.9 元/m3時(shí)，電費(fèi)占沼氣收益的31%。

在實(shí)際工程中，由于供熱量與總耗熱量的不均勻性，沼液溫度會(huì)發(fā)生波動(dòng)，進(jìn)而總耗熱量與熱泵制熱量也會(huì)發(fā)生變化，總耗熱量與制熱量的變化又會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致沼液溫度的變化；沼液溫度、總耗熱量、制熱量耦合影響，使得實(shí)際結(jié)果會(huì)與該計(jì)算結(jié)果有所偏差。

4 結(jié)論

① 根據(jù)對(duì)大中型沼氣工程中溫發(fā)酵系統(tǒng)的研究，依照哈爾濱等地區(qū)氣象條件計(jì)算總耗熱量，在此基礎(chǔ)上為減少沼氣罐出料的熱量損失，設(shè)計(jì)了一套污水源熱泵余熱回收系統(tǒng)。應(yīng)用Dymola軟件對(duì)該系統(tǒng)模型的余熱回收效率進(jìn)行模擬分析，評(píng)價(jià)了污水源熱泵全年的工作狀況。

② 對(duì)哈爾濱地區(qū)，在周期為4 h的進(jìn)出料循環(huán)中，污水源熱泵系統(tǒng)的COP為2.7～3.0，過(guò)熱度在3 K左右，熱泵系統(tǒng)工作穩(wěn)定，制熱性能系數(shù)較高。對(duì)哈爾濱地區(qū)，11月至轉(zhuǎn)年3月，輔助熱源需一直開(kāi)啟； 6—8月，壓縮機(jī)部分負(fù)荷運(yùn)行； 4、5、9、10月，根據(jù)總耗熱量與熱泵制熱量，確定輔助熱源開(kāi)啟時(shí)間。

③ 在哈爾濱地區(qū)，采用壓縮機(jī)功率為20 kW的熱泵系統(tǒng)，最冷的1月能夠補(bǔ)償72%的總耗熱量，但小時(shí)不保證率較高，需設(shè)置輔助熱源；采用壓縮機(jī)功率為33 kW的熱泵系統(tǒng)，制熱量與總耗熱量大體持平，可基本滿足中溫發(fā)酵，但該熱泵在6—8月提供的熱量超過(guò)所需熱量的兩倍，且COP相比壓縮機(jī)功率為20 kW時(shí)有所降低。